【摘要】：當前,自然科學與技術的發(fā)展方向不斷向著宏觀尺度領域和微觀尺度領域拓展,在人類不斷探索了解未知外太空時,對于微納尺度下的世界也逐漸引起了專家學者的密切關注。微納機電系統(tǒng)和微流體相關器件自20世紀末誕生以來已經得到了迅速的發(fā)展,并且掀起了器件向微/納米尺度發(fā)展的熱潮。微納尺度氣體流動的研究推動了流體力學向微觀尺度發(fā)展的趨勢,不同于常規(guī)尺度流動力學,當尺寸不斷減小許多用于描述宏觀尺度流體的基礎理論難以對微納尺度下氣體流動出現的現象進行合理的表征。因此,開展微納尺度下氣體流動機理的研究將為相關基礎理論的完善和器件設計與生產提供重要的理論依據。本文借助分子動力學方法研究了混合氣體在平行板納米通道中的流動和邊界滑移特性,得出的結論可能能夠給予后續(xù)微納尺度氣體流動規(guī)律的研究工作提供一定的借鑒意義。采用分子動力學方法對氮氧混合氣體在孔寬大小為3.155~9.465 nm的平行壁納米孔隙中的Couette流進行了研究。研究結果表明:在該模擬尺度內當模擬通道寬度一定的情況下,通道內流體的剪切應力和剪切應變率呈線性關系,即流體內部剪切粘性為定值,且隨著孔隙特征寬度的增加而增大。當孔隙寬度達到臨界值7.8875 nm時,孔隙特征尺寸對剪切粘性的影響逐漸減小。并且還發(fā)現,當平行壁通道寬度不斷的增大,氣固界面處的速度滑移逐漸減小,而當通道寬度較小時,滑移速度減小幅度很大;隨著孔寬的進一步增大,滑移速度呈現近似線性的降低,但減小幅度明顯降低。此外,討論了氣-固耦合作用強度、氮氧混合氣體比例等影響因素對邊界滑移的影響,發(fā)現流-固耦合作用強度的增加會導致邊界處滑移速度的減小;隨著混合氣體中氮氣比例的增加,孔隙中剪切粘性也隨之增大,該結果不同于宏觀系統(tǒng)中氧氣的粘性始終大于同溫度下氮氣的粘性的結論,其主要原因是由于氮氣在納米孔隙邊界更易發(fā)生“類固體”效應。隨后,在原有氮氧混合氣體模型的基礎上,引入不同比例的二氧化碳氣體。模擬結果顯示:隨著體系中二氧化碳比例的不斷增加,混合氣體的滑移速度出現了增大的趨勢。并且當二氧化碳的比例低于20%時,混合氣體的速度沿通道寬度方向線性變化,而當二氧化碳的比例增加到40%后,其速度運動曲線不再呈現單一的線性變化,其速度曲線由通道主流區(qū)和近壁面流動區(qū)兩部分組成。在通道主流區(qū)內混合氣體流動速度沿孔寬方向依然為線性變化,而在近壁面區(qū)域則為非線性變化。同時,以混合氣體中二氧化碳所占比例為20%為例,研究對比發(fā)現,二氧化碳占比為20%的混合氣體與氮氧混合氣的滑移速度隨著通道寬度的增大出現了一致的變化趨勢。此外,對于不同的通道寬度,二氧化碳占比為20%的混合氣體在壁面處的滑移速度始終大于氮氧混合氣體的滑移速度,并且發(fā)現,兩者的滑移速度之差受通道寬度變化的影響較弱。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O35

【相似文獻】

相關期刊論文 前9條

1 ;含氨混合氣的焓—n技捌湓詮こ虋-，

本文編號：2517896